Pico-red prototipo para interconexión de dispositivos médicos

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(1)PICO-RED PROTOTIPO PARA INTERCONEXIÓN DE DISPOSITIVOS MÉDICOS. Alejandro Cajiao Bravo Jose Alberto Hidalgo Paz. Universidad del Cauca Facultad de Ingeniería Electrónica y Telecomunicaciones Departamento de Telecomunicaciones Grupo de Radio e InALámbricas-GRIAL Señales y Sistemas de Acceso y Difusión Basados en Radio Popayán, 2014.

(2) PICO-RED PROTOTIPO PARA INTERCONEXIÓN DE DISPOSITIVOS MÉDICOS. Trabajo de Grado presentado como requisito para obtener el título de Ingeniero en Electrónica y Telecomunicaciones Alejandro Cajiao Bravo Jose Alberto Hidalgo Paz. Director(a) Claudia Milena Hernández Bonilla Co-Director Víctor Manuel Quintero Flórez. Universidad del Cauca Facultad de Ingeniería Electrónica y Telecomunicaciones Departamento de Telecomunicaciones Grupo de Radio e InALámbricas-GRIAL Señales y Sistemas de Acceso y Difusión Basados en Radio Popayán, 2014.

(3) PICO-RED PROTOTIPO PARA INTERCONEXIÓN DE DISPOSITIVOS MÉDICOS. TABLA DE CONTENIDO INTRODUCCIÓN.................................................................................................................... 1 1. GENERALIDADES DE UNA RED INALÁMBRICA DE ÁREA CORPORAL .................... 3 1.1. CARACTERÍSTICAS GENERALES ............................................................................. 3 1.2. ARQUITECTURA DE UNA RED INALÁMBRICA DE ÁREA DE CORPORAL............ 6 1.2.1. Componentes...................................................................................................... 6 1.2.2. Operación ............................................................................................................ 8 1.2.3. Clasificación del tráfico de una WBAN ............................................................... 9 1.2.4. Topología ............................................................................................................ 9 1.3. PROTOCOLOS DE COMUNICACIÓN....................................................................... 10 1.3.1. Nivel Físico........................................................................................................ 11 1.3.2. Control de Acceso al Medio .............................................................................. 12 1.3.2.1. Protocolo de Sondeo o Polling ............................................................. 13 1.4. TECNOLOGÍAS DE RADIOFRECUENCIA ................................................................ 14 1.4.1. Bluetooth ........................................................................................................... 14 1.4.2. Bluetooth de Baja Energía ................................................................................ 16 1.5. CRITERIOS DE DISEÑO Y DESAFÍOS DE UNA RED INALÁMBRICA DE ÁREA CORPORAL ................................................................................................................ 17 1.5.1. Seguridad.......................................................................................................... 17 1.5.2. Interoperabilidad ............................................................................................... 17 1.5.3. Complejidad en el sistema de dispositivos....................................................... 17 1.5.4. Confiabilidad ..................................................................................................... 20 1.6. APLICACIONES .......................................................................................................... 20 1.6.1. Médicas ............................................................................................................. 21 1.6.2. De carácter no-médico...................................................................................... 21 1.7. DISPOSITIVOS SENSORES...................................................................................... 22 2. DISEÑO, IMPLEMENTACIÓN Y PLAN DE PRUEBAS.................................................. 25 2.1. INTRODUCCIÓN ........................................................................................................ 25 2.2. METODOLOGÍA DE DESARROLLO ......................................................................... 25 2.2.1. Análisis de Requerimientos .............................................................................. 26. III.

(4) ALEJANDRO C AJIAO BRAVO – JOSE ALBERTO HIDALGO PAZ. 2.2.1.1. Problema de estudio ............................................................................ 26 2.2.1.2. Requerimientos .................................................................................... 27 2.2.2. Diseño ............................................................................................................... 28 2.2.2.1. Definición del modelo de la Pico-red Prototipo.................................... 28 2.2.2.2. Dispositivos sensores........................................................................... 29 I. Sensor de presión arterial ..................................................................... 29 II. Sensor de ritmo o frecuencia cardíaca ................................................ 30 III. Sensor de temperatura corporal ......................................................... 31 2.2.2.3. Unidades de procesamiento ................................................................ 32 I. Unidad de procesamiento para la unidad central ................................. 32 II. Unidad de procesamiento para los sensores y reloj de visualización. 33 2.2.2.4.Módulos de comunicación inalámbrica ................................................. 34 2.2.3. Implementación ................................................................................................. 35 2.2.3.1. Formatos de Trama de Comunicación................................................. 36 2.2.3.2. Unidad central, dispositivos sensores y reloj de visualización ............ 37 I. Unidad Central....................................................................................... 37 II. Sensor de Presión Arterial ................................................................... 41 III. Sensor de Temperatura Corporal ....................................................... 45 IV. Sensor de Ritmo Cardíaco ................................................................. 47 V. Reloj de Visualización .......................................................................... 49 2.2.3.3. Operación de la Pico-red Prototipo ...................................................... 52 2.2.3.4. Procedimientos de Procesamiento de la Información ......................... 55 2.2.3.5. Sistema de visualización remota.......................................................... 62 2.2.4. Plan de Pruebas................................................................................................ 66 3. EVALUACIÓN Y ANÁLISIS DE RESULTADOS ............................................................. 68 3.1. INTRODUCCIÓN ........................................................................................................ 68 3.2. EVALUACIÓN DE VISIGNET ..................................................................................... 68 3.2.1. Encuestas de aceptación de VISIGNET........................................................... 75 3.3. EVALUACIÓN DEL FUNCIONAMIENTO DE LA PICO-RED PROTOTIPO ............. 79 3.3.1. Cobertura de la Pico-red Prototipo ................................................................... 80 3.3.2. Tasa de Error de Tramas .................................................................................. 83 3.3.3. Tiempo de procesamiento de la información ................................................... 84 3.3.4. Tiempo de funcionamiento de los dispositivos sensores ................................. 85 4. CONCLUSIONES Y TRABAJO FUTURO....................................................................... 87 4.1. INTRODUCCIÓN ........................................................................................................ 87. IV.

(5) PICO-RED PROTOTIPO PARA INTERCONEXIÓN DE DISPOSITIVOS MÉDICOS. 4.2. CONCLUSIONES........................................................................................................ 87 4.3. TRABAJO FUTURO.................................................................................................... 89 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS..................................................................................... 91 ANEXO A. CONFIGURACIÓN DEL MÓDULO BLUETOOTH OBS421 ............................. 97 ANEXO B. MANUAL DE USUARIO DE VISIGNET........................................................... 105 B.1. PRESENTACIÓN...................................................................................................... 105 B.2. PROCEDIMIENTOS INICIALES .............................................................................. 105 B.3. OPERACIÓN DE LOS DISPOSITIVOS SENSORES .............................................. 106 B.3.1. Ritmo Cardíaco ............................................................................................... 107 B.3.2. Temperatura Corporal .................................................................................... 108 B.3.3. Presión Arterial ............................................................................................... 108 B.4. SISTEMAS DE VISUALIZACIÓN DE VISIGNET..................................................... 110 B.4.1. Reloj de visualización ..................................................................................... 110 B.4.2. Xively .............................................................................................................. 112 ANEXO C. CERTIFICACIÓN DE LAS PRUEBAS REALIZADAS ..................................... 114 ANEXO D. ENCUESTA APLICADA A LOS PACIENTES ................................................. 115. V.

(6) ALEJANDRO C AJIAO BRAVO – JOSE ALBERTO HIDALGO PAZ. LISTA DE FIGURAS Figura 1.1. Interconexión entre Redes de Área Corporal Inalámbrica, Redes de Área Personal Inalámbrica y Redes de Área Local y Metropolitana.............................................. 4 Figura 1.2. Arquitectura de una WBAN. ................................................................................. 7 Figura 1.3. Módulos que componen la BCU y las BSU. ........................................................ 7 Figura 1.4. Topología de una WBAN. .................................................................................. 10 Figura 1.5. Protocolos de comunicación de una WBAN...................................................... 10 Figura 1.6. Bandas de frecuencia habilitadas para las WBAN............................................ 11 Figura 1.7. Secuencia de transmisión MAC basada en sondeo. ........................................ 14 Figura 1.8. Pico-red. ............................................................................................................. 15 Figura 1.9. Red dispersa o scatternet. ................................................................................. 16 Figura 1.10. Perfil de datos vs potencia, IEEE 802.15.6. .................................................... 18 Figura 1.11. Resultado de la correlación de siete fuentes de captación de energía, con la disponibilidad de cada fuente sobre una jornada de trabajo promedio .............................. 19 Figura 1.12. Aplicaciones de una WBAN ............................................................................ 20 Figura 1.13. Ejemplo del monitoreo de un paciente en una Red Inalámbrica de Área Corporal . .............................................................................................................................. 22 Figura 2.1. Modelo Lineal Secuencial .................................................................................. 26 Figura 2.2. Modelo de la Pico-red Prototipo. ....................................................................... 29 Figura 2.3. Modelo de despliegue de la Pico-red Prototipo................................................. 35 Figura 2.4. Trama de BSU a BCU........................................................................................ 36 Figura 2.5. Trama de BCU al reloj de visualización............................................................. 37 Figura 2.6. Unidad de procesamiento de la BCU. Arduino Mega 2560. ............................. 38 Figura 2.7. Módulo Bluetooth de la BCU. OBS421.............................................................. 38 Figura 2.8. Tecnología Wireless Multidrop. ......................................................................... 39 Figura 2.9. Módulo Ethernet para conexión con la plataforma web. ................................... 39 Figura 2.10. Diagrama circuital de la BCU........................................................................... 40 Figura 2.11. Interfaz lógica entre OBS421 y Arduino Mega 2560 ....................................... 40 Figura 2.12. Componentes de la BCU. ................................................................................ 41 Figura 2.13. BCU implementada. ......................................................................................... 41 Figura 2.14. Sensor de Presión Arterial. Kodea v2.0. ......................................................... 41 Figura 2.15. Unidad de procesamiento para las BSU. Arduino Pro Mini. ........................... 42 Figura 2.16. Módulo Bluetooth para las BSU. HC 05. ......................................................... 42 Figura 2.17. Diagrama circuital del sensor de PA. .............................................................. 43 Figura 2.18. Versiones de la BSU del sensor de PA. .......................................................... 43 Figura 2.19. Carcasa de la BSU del sensor de PA.............................................................. 44 Figura 2.20. Sensor de PA. .................................................................................................. 44 Figura 2.21. Sensor de temperatura de Lilypad. ................................................................. 45 Figura 2.22. Unidad de procesamiento del sensor de temperatura corporal. Arduino Lilypad Main Board ............................................................................................................... 45 Figura 2.23. Diagrama circuital del sensor de temperatura corporal. ................................. 46. VI.

(7) PICO-RED PROTOTIPO PARA INTERCONEXIÓN DE DISPOSITIVOS MÉDICOS. Figura 2.24. Versiones del sensor de temperatura corporal. .............................................. 46 Figura 2.25. Sensor de Ritmo o frecuencia cardíaca. ......................................................... 47 Figura 2.26. Diagrama circuital del sensor de ritmo cardíaco. ............................................ 47 Figura 2.27. Versión inicial del sensor de ritmo cardíaco. ................................................... 48 Figura 2.28. Carcasa del sensor de ritmo cardíaco. ............................................................ 48 Figura 2.29. Sensor de ritmo cardíaco. ................................................................................ 49 Figura 2.30. Pantalla del reloj de visualización. Nokia LCD 5110. ...................................... 49 Figura 2.31. Diagrama circuital de los componentes del reloj de visualización. ................. 50 Figura 2.32. Versiones del reloj de visualización................................................................. 50 Figura 2.33. Reloj de visualización. ..................................................................................... 51 Figura 2.34. Campos en el reloj de visualización. ............................................................... 51 Figura 2.35. Mensajes del reloj de visualización. ................................................................ 52 Figura 2.36. Operación de la Pico-red Prototipo, paso 1. ................................................... 53 Figura 2.37. Operación de la Pico-red Prototipo, paso 2. ................................................... 53 Figura 2.38. Operación de la Pico-red Prototipo, paso 3. ................................................... 54 Figura 2.39. Operación de la Pico-red Prototipo, paso 4. ................................................... 54 Figura 2.40. Diagrama del procesamiento de la información de la BCU. ........................... 56 Figura 2.41. Diagrama del procesamiento de la información del sensor de PA. ................ 58 Figura 2.42. Diagrama del procesamiento de la información del sensor de Temperatura Corporal. ............................................................................................................................... 59 Figura 2.43. Diagrama del procesamiento de la información del sensor de Ritmo Cardíaco. .............................................................................................................................................. 60 Figura 2.44. Diagrama del procesamiento de la información del reloj de visualización. .... 61 Figura 2.45. Dispositivo privado "Piconet" en Xively. .......................................................... 62 Figura 2.46. Xively Feed ID y API Key. ................................................................................ 63 Figura 2.47. Solicitud de subida de información a Xively. ................................................... 64 Figura 2.48. Monitoreo de los signos vitales en Xively........................................................ 64 Figura 2.49. Gráficas de los signos vitales en Xively. ......................................................... 65 Figura 2.50. Ubicación del paciente obtenida por Xively..................................................... 66 Figura 3.1. Porcentaje de Género. ....................................................................................... 69 Figura 3.2. Porcentajes de los rangos de edad. .................................................................. 70 Figura 3.3. Preferencia de dispositivos de medición. .......................................................... 76 Figura 3.4. Facilidad de uso de los dispositivos de la Pico-red Prototipo. .......................... 77 Figura 3.5. Comodidad al usar los dispositivos de la Pico-red Prototipo ............................ 78 Figura 3.6. Aceptación tecnológica. ..................................................................................... 78 Figura 3.7. Escenario 2 de pruebas. .................................................................................... 80 Figura 3.8. Escenario 3 de pruebas. .................................................................................... 81 Figura 3.9. Escenario 4 de pruebas. .................................................................................... 82 Figura 3.10. Tramas correctas e incorrectas. ...................................................................... 83 Figura 3.11. Parámetros de carga de información a Xively................................................. 84 Figura 3.12. Resultados prueba de duración de baterías. .................................................. 85 Figura A.1. Conversor USB a TTL ....................................................................................... 97 Figura A.2. Conexión del OBS421 al computador. .............................................................. 98 Figura A.3. Ventana de selección de producto. ................................................................... 98 Figura A.4. Ventana de conexión. ........................................................................................ 99 Figura A.5. Configuración básica de conexión .................................................................... 99 Figura A.6. Verificación de puerto COM. ........................................................................... 100 Figura A.7. Acceso al modo de configuración del Bluetooth. ............................................ 100 Figura A.8. Verificación de conexión exitosa. .................................................................... 101. VII.

(8) ALEJANDRO C AJIAO BRAVO – JOSE ALBERTO HIDALGO PAZ. Figura A.9. Configuraciones básicas. ................................................................................ 102 Figura A.10. Configuración del modo maestro (cliente). ................................................... 103 Figura A.11. Configuración de seguridad. ......................................................................... 104 Figura B.1. Componentes de VISIGNET. .......................................................................... 105 Figura B.2. Conectores de la BCU. .................................................................................... 106 Figura B.3. BCU inicializada............................................................................................... 106 Figura B.4. Pasos para usar el dispositivo de ritmo cardíaco. .......................................... 107 Figura B.5. Dispositivo de ritmo cardíaco ubicado correctamente. ................................... 107 Figura B.6. Pasos para inicializar el dispositivo de temperatura corporal......................... 108 Figura B.7. Toma de la presión arterial con el dispositivo Kodea. .................................... 109 Figura B.8. Uso del módulo inalámbrico para el dispositivo de presión arterial. .............. 109 Figura B.9. Correcta conexión del dispositivo de presión arterial. .................................... 110 Figura B.10. Reloj de visualización. ................................................................................... 110 Figura B.11. Campos desplegados en el reloj de visualización. ....................................... 111 Figura B.12. Mensajes del reloj de visualización. .............................................................. 111 Figura B.13. Plataforma de monitoreo remoto, Xively. ...................................................... 113. VIII.

(9) PICO-RED PROTOTIPO PARA INTERCONEXIÓN DE DISPOSITIVOS MÉDICOS. LISTA DE TABLAS Tabla 1.1. Clasificación de los nodos según su ubicación en el cuerpo. .............................. 8 Tabla 1.2. Bandas de frecuencias para la operación de WBAN. ........................................ 12 Tabla 1.3. Clases de Bluetooth ............................................................................................ 14 Tabla 2.1. Sensores de presión arterial. .............................................................................. 30 Tabla 2.2. Sensores de ritmo o frecuencia cardíaca. .......................................................... 31 Tabla 2.3. Sensores de temperatura corporal. .................................................................... 32 Tabla 2.4. Unidades de procesamiento para los dispositivos sensores. ............................ 33 Tabla 2.5. Módulos de comunicación Bluetooth. ................................................................. 34 Tabla 2.6. Clasificación de mediciones de las BSU. ........................................................... 51 Tabla 2.7. Componentes utilizados para la implementación del sistema de monitoreo. .... 52 Tabla 2.8. Clasificación de las medidas de PA.................................................................... 57 Tabla 2.9. Clasificación de las medidas de Temperatura Corporal..................................... 57 Tabla 2.10. Clasificación de las medidas de Ritmo Cardíaco. ............................................ 60 Tabla 3.1. Frecuencias y porcentajes de género................................................................. 69 Tabla 3.2. Frecuencias y porcentajes de los rangos de edad. ............................................ 70 Tabla 3.3. Media de las muestras. ....................................................................................... 71 Tabla 3.4. Porcentajes de error de las BSU de VISIGNET. ................................................ 72 Tabla 3.5. Correlación entre las muestras. .......................................................................... 72 Tabla 3.6. Resultados de significancia................................................................................. 73 Tabla 3.7. Resultados de significancia clasificados según el rango de edades. ................ 75 Tabla 3.8. Preferencia de dispositivos de medición. ........................................................... 76 Tabla 3.9. Facilidad de uso de los dispositivos de la Pico-red Prototipo. ........................... 76 Tabla 3.10. Comodidad al usar los dispositivos de la Pico-red Prototipo. .......................... 77 Tabla 3.11. Aceptación tecnológica. .................................................................................... 79 Tabla 3.12. Consolidación de los resultados de alcance máximo....................................... 82 Tabla 3.13. FER de los dispositivos sensores de la Pico-red Prototipo.............................. 84 Tabla 3.14. Tiempo total de funcionamiento de las BSU. ................................................... 86 Tabla A.1. Conexión del Bluetooth OBS421 al conversor USB a TTL................................ 97 Tabla B.1. Clasificación de medidas de los dispositivos sensores. .................................. 111 Tabla B.2. Precio de los componentes de VISIGNET. ...................................................... 112. IX.

(10) ALEJANDRO C AJIAO BRAVO – JOSE ALBERTO HIDALGO PAZ. LISTA DE ACRÓNIMOS ACK. Acknowledgement, Reconocimiento. ADC. Analog-to-Digital Converter, Conversor Analógico Digital. AMON. Advanced Medical Monitor, Monitor Médico Avanzado. API. Application Programming Interface, Interfaz de Programación de Aplicación. BAN. Body Area Network, Red de Área Corporal. BCU. Body Central Unit, Unidad Central de Cuerpo. Bluetooth LE Bluetooth Low Energy, Bluetooth de Baja Energía BSU. Body Sensor Unit, Unidad de Sensor Corporal. CCA. Clear Channel Assessment, Evaluación del Canal Libre. COM. COMmunication port, Puerto de Comunicación. CRC. Cyclic Redundancy Check, Comprobación de Redundancia Cíclica. CSMA/CA. Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection, Acceso Múltiple con Escucha de Portadora y Evasión de Colisiones. ECG. Electrocardiograma. EEG. Electroencephalography, Electroencefalografía. EHR. Electronic Health Record, Historias Clínicas Electrónicas. EMG. Electromyography, Electromiografía. EPOC. Enfermedad Pulmonar Obstructiva Crónica. e-Textile. Electronic Textile, Textil Electrónico. ETSI. European Telecommunications Standars Institute, Instituto Europeo de Normas de Telecomunicaciones. FCC. Federal Communications Commission, Comisión Federal de Comunicaciones. FER. Frame Error Rate, Tasa de Error de Tramas. X.

(11) PICO-RED PROTOTIPO PARA INTERCONEXIÓN DE DISPOSITIVOS MÉDICOS. FHSS. Frequency Hopping Spread Spectrum, Espectro Ensanchado por Salto de Frecuencia. GSM. Global System for Mobile communications, Sistema Global para las comunicaciones Móviles. HBC. Human Body Communication, Comunicación del Cuerpo Humano. HDP. Health Device Profile, Perfil de Dispositivo Médico. HTA. Hipertensión Arterial. HTABB. Hipertensión Arterial de Bata Blanca. I/O. Input/Output, Entrada/Salida. ID. Identificador. IDE. Integrated Development Environment, Entorno de Desarrollo Integrado. IEEE. Institute of Electrical and Electronics Engineers, Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos. IoT. Internet of Things, Internet de las Cosas. ISM. Industrial Scientific and Medical, Industrial, Científica y Médica.. ITU. International Telecommuncation Telecomunicaciones. LCD. Liquid Crystal Display, Pantalla de Cristal Líquido. MAC. Media Access Control, Control de Acceso al Medio. MICS. Medical Implant Communication Service, Servicio de Comunicaciones Médicas Implantadas. MRAM. Magnetoresistive Random – Access Memory, Memoria de Acceso Aleatorio Magnetorresistiva. NACK. Negative Acknowledgement, Reconocimiento Negativo. NB. Narrow Band, Banda Estrecha. PA. Presión Arterial. PCB. Printed Circuit Board, Tarjeta de Circuito Impreso. PDA. Personal Digital Assistant, Asistente Digital Personal. PHR. Personal Health Record, Historia Clínica Personal. XI. Union,. Unión. Internacional. de.

(12) ALEJANDRO C AJIAO BRAVO – JOSE ALBERTO HIDALGO PAZ. PHY. PHYsical layer, Nivel Físico. PN. Pseudo Random Sequence, Secuencia Pseudo Aleatoria. PPM. Pulsaciones por Minuto. RF. Radio Frequency, Radio Frecuencia. RRAM. Resistive Random – Access Memory, Memoria de Acceso Aleatorio Resistiva. SBC. Single Board Computer, Ordenador de Placa Reducida. SIG. Special Interest Group, Grupo de Interés Especial. SPI. Serial Peripheral Interface, Interfaz Periférica Serial. SPP. Serial Port Profile, Perfil de Puerto Serial. SPSS. Statistical Package for the Social Sciencies, Paquete Estadístico para las Ciencias Sociales. TDMA. Time Division Multiple Access, Acceso Múltiple por División de Tiempo. TIC. Tecnologías de la Información y las Comunicaciones. TTL. Transistor-Transistor Logic, Lógica Transistor-Transistor. UART. Universal Asynchronous Asíncrono Universal. USB. Universal Serial Bus, Bus Serial Universal. UWB. Ultra Wide Band, Ultra Banda Ancha. WAN. Wide Area Network, Red de Área Extensa. WBAN. Wireless Body Area Network, Red de Área Corporal Inalámbrica. WLAN. Wireless Local Area Network, Red de Área Local Inalámbrica. WMAN. Wireless Metropolitan Area Network, Red de Área Metropolitana Inalámbrica. WMTS. Wireless Medical Telemetry Services, Servicios de Telemetría Médica Inalámbrica. WPAN. Wireless Personal Area Network, Red de Área Personal Inalámbrica. WSN. Wireless Sensor Network, Red de Sensores Inalámbricos. XII. Receiver-Transmitter,. Transmisor-Receptor.

(13) PICO-RED PROTOTIPO PARA INTERCONEXIÓN DE DISPOSITIVOS MÉDICOS. INTRODUCCIÓN Actualmente se han hecho grandes esfuerzos en investigación y desarrollo de sistemas electrónicos portátiles para la monitorización de la salud, principalmente motivados por los altos costos de la atención médica y por los últimos avances tecnológicos en micro y nanotecnología. La miniaturización de los sensores y los materiales inteligentes están influenciando los continuos avances en esta línea de investigación, cambiando el panorama actual de la salud, permitiendo la gestión individual y la supervisión contínua del estado de un paciente. Para la vigilancia y prevención de enfermedades, un sistema de monitoreo de la salud puede incluir una amplia gama de dispositivos portátiles, como sensores, actuadores, tejidos inteligentes, fuentes de energía, redes de comunicación inalámbrica, unidades de procesamiento, interfaces de usuario, entre otros. Estos sistemas son capaces de tomar diferentes mediciones y exámenes en el ser humano tales como: temperatura corporal, ritmo cardíaco, presión arterial, entre otros. Estas mediciones son entregadas a un nodo central y a su vez a una aplicación móvil personal o inclusive a un centro médico. Por estas razones se considera que estos sistemas son los pilares tecnológicos para el desarrollo de e-Health. La e-Health, haciendo uso de las Tecnologías de la Información y la Comunicación (TIC) ha facilitado la prestación de servicios médicos a distancia (conocidos como telemedicina) como lo son: diagnóstico de patologías, tratamiento y vigilancia de enfermedades, servicios de apoyo al personal sanitario, etc [1]. La vigilancia y control de enfermedades se ha convertido en un tema de vital importancia dentro de la salud pública a nivel global, existen muchas personas que debido a padecimientos que no son curables y que solo pueden controlarse a lo largo del resto de sus vidas (enfermedades crónicas), deben estar en constante monitoreo acudiendo permanentemente a consultas médicas para gestionar su estado de salud [2] [3]. Este tipo de patologías significan unos costos muy elevados para los sistemas de salud gubernamentales, principalmente debido a los altos honorarios que manejan los profesionales de la salud, además, cuando las enfermedades no tienen unos controles rigurosos y de forma periódica pueden desencadenar otros problemas mucho más graves que pueden conllevar a procedimientos quirúrgicos o a medicaciones mucho más costosas para su tratamiento. Debido a este tipo de situaciones han surgido los sistemas de telemonitoreo en salud, como lo son las Redes Inalámbricas de Área Corporal (WBAN, Wireless Body Area Networks) aplicadas a la salud [4], sistemas cuyo fin es capturar datos asociados a mediciones de variables clínicas para poder comunicarlos a otras plataformas donde van a quedar almacenados para su revisión por parte de personal médico especializado. Esta clase de soluciones tienen la gran ventaja de minimizar los costos asociados a la atención personalizada de los pacientes y también disminuyen las. 1.

(14) ALEJANDRO C AJIAO BRAVO – JOSE ALBERTO HIDALGO PAZ. incomodidades que representan para estas personas los continuos desplazamientos hacia los centros de salud donde pueden ser atendidos. Teniendo en cuenta lo mencionado anteriormente, surge la necesidad de diseñar e implementar una Pico-red Prototipo que permita la interconexión de dispositivos médicos habilitados con interfaces inalámbricas, definiendo procedimientos de procesamiento de la información que permitan recolectar la información de los sensores y subirla a una plataforma web para su visualización remota y así vigilar la salud de pacientes que requieran una constante monitorización de signos vitales. En los últimos años se han llevado a cabo investigaciones y desarrollos en sistemas de monitoreo de salud, sin embargo estos sistemas son compatibles únicamente con aplicaciones e interfaces propietarias, y algunos solo incluyen un dispositivo médico. Es por eso que la Pico-red Prototipo es compatible con una plataforma web pública que a través de sus librerías permite la interoperabilidad con múltiples aplicaciones, además de incluir diversos dispositivos médicos, todo realizado mediante elementos de hardware abierto (open hardware). El presente documento tiene como fin explicar el proceso de implementación de la Picored Prototipo, y está estructurado de la siguiente forma: el primer capítulo presenta una descripción de las generalidades de una WBAN; en el segundo capítulo se presenta el proceso de diseño e implementación de la Pico-red Prototipo; en el tercer capítulo se muestran y analizan los resultados obtenidos de las pruebas realizadas al sistema; en el cuarto capítulo se resumen las conclusiones y los trabajos futuros. Finalmente se encuentran los anexos pertinentes al trabajo de grado.. 2.

(15) PICO-RED PROTOTIPO PARA INTERCONEXIÓN DE DISPOSITIVOS MÉDICOS. 1.. GENERALIDADES DE UNA RED INALÁMBRICA DE ÁREA CORPORAL. Recientemente, ha habido un creciente interés por parte de investigadores, diseñadores de sistemas y desarrolladores de aplicaciones en un nuevo tipo de tecnología de red inalámbrica para el cuerpo, generalmente conocido como WBAN, el cual ha sido impulsado por la necesidad de las comunicaciones ubicuas con tecnologías de muy baja potencia, gracias a los continuos avances en comunicaciones inalámbricas, en TIC y la miniaturización de los dispositivos electrónicos. Las WBAN se están convirtiendo en una de las tecnologías de mayor impacto, principalmente en el área de la salud [5] [6] [7].. 1.1. CARACTERÍSTICAS GENERALES Una WBAN es una tecnología de red inalámbrica basada en Radio Frecuencia (RF, Radio Frequency), que interconecta pequeños nodos 1 con capacidades de funcionar como sensor o actuador, ubicados en cualquier parte del cuerpo humano, los cuales monitorean continuamente las actividades y acciones fisiológicas del ser humano [6]. Los nodos de las WBAN son dispositivos electrónicos, capaces de muestrear las señales analógicas provenientes del cuerpo humano, y seguidamente digitalizarlas para transmitirlas a la red. Adicionalmente, estos nodos deben tener la capacidad de establecer un canal de comunicación inalámbrico para transmitir las variables fisiológicas y así proveer un monitoreo continuo a los usuarios [8]. Como complemento de las Redes de Área Personal Inalámbricas (WPAN, Wireless Personal Area Network), en la que la cobertura de radio no supera los 10 metros, las WBAN tienen como objetivo múltiples aplicaciones, entre ellas se encuentran, la atención médica, entrenamiento deportivo, seguridad en el trabajo, autentificación segura, entre otras. Una WBAN también se puede conectar a las Redes de Área Local Inalámbricas (WLAN, Wireless Local Area Network) y Redes de Área Metropolitana Inalámbricas (WMAN, Wireless Metropolitan Area Network), tal como se muestra en la Figura 1.1.. 1. Dispositivos que componen una WBAN y que se interconectan con el fin de intercambiar información captada del cuerpo humano.. 3.

(16) ALEJANDRO C AJIAO BRAVO – JOSE ALBERTO HIDALGO PAZ. Figura 1.1. Interconexión entre Redes de Área Corporal Inalámbrica, Redes de Área Personal Inalámbrica y Redes de Área Local y Metropolitana [6]. Una WBAN podría ser vista como una Red de Sensores Inalámbricos (WSN, Wireless Sensor Network) para fines específicos y con una serie de requerimientos de diseño [9]. Sin embargo, una WBAN tiene sus propias características que la distinguen de una WSN y que adicionalmente crea nuevos desafíos técnicos. A continuación se presentan las características de las WBAN y la diferencia con las WSN: . Arquitectura: una WBAN contiene dos tipos de nodos: sensores/actuadores ubicados en, sobre o alrededor del cuerpo y un enrutador ubicado alrededor del usuario o dispositivos de la WBAN, que forman la infraestructura que permite la recolección y transmisión de datos a un sistema principal. En WSN, sin embargo, cada nodo, funciona como sensor y a la vez enrutador.. . Despliegue y densidad: el número de nodos sensores/actuadores desplegados por usuario depende de múltiples factores. En las WBAN los nodos se colocan estratégicamente en el cuerpo humano, o están ocultos en la ropa, y no se utilizan nodos redundantes, por lo que las WBAN no tienen un alto número o una alta densidad de nodos. A diferencia de las WSN, las cuales la mayoría de veces se despliegan en lugares de difícil acceso, por lo que requiere nodos redundantes para evitar fallas y brindar confiabilidad y alta disponibilidad.. . Velocidad de transmisión de datos: las WSN se emplean para monitorear eventos, los cuales pueden ocurrir en intervalos irregulares. Por otro lado, las WBAN se emplean para el monitoreo de las actividades y acciones fisiológicas del cuerpo humano, las cuales suceden de forma más periódica, obteniendo 4.

(17) PICO-RED PROTOTIPO PARA INTERCONEXIÓN DE DISPOSITIVOS MÉDICOS. como resultado flujos de datos continuos con velocidades de transmisión de datos estables. . Vida útil de las baterías de los nodos: esta característica está sujeta al tipo de aplicación. Es claro que el ahorro de energía es beneficioso para todo tipo de red, pero la sustitución de las baterías de los nodos de las WBAN es mucho más fácil que en las WSN, en la que los nodos pueden ser físicamente inalcanzables luego del despliegue. En consecuencia, es necesario maximizar la vida útil de la batería de los nodos de las WSN, para que así tengan una mayor duración y una mayor vida de la red.. . Movilidad: los usuarios de las WBAN pueden moverse, a diferencia de los nodos de las WSN, los cuales suelen considerarse como estacionarios.. El uso de WBAN tiene en general las siguientes ventajas [5]: . Flexibilidad: las lecturas del monitoreo de las actividades y acciones fisiológicas del cuerpo humano, obtenidas a través de los sensores, se pueden transmitir a dispositivos cercanos, tales como, un teléfono inteligente, un reloj, un computador portátil, un robot; o directamente a una plataforma web, dependiendo de las necesidades de la aplicación.. . Eficacia y eficiencia: las señales que proporcionan los sensores corporales, pueden ser procesadas eficazmente para obtener estimaciones fisiológicas fiables y precisas.. . Economía: la creciente demanda de sensores corporales, ha aumentado la producción de estos, a precios comerciales cada vez menores.. Con el fin de permitir el despliegue y la adopción de las WBAN, se deben abordar varios problemas de diseño. A nivel de hardware, los nodos sensores del cuerpo deben ser pequeños, delgados, cómodos, con conexión inalámbrica y deben ser capaces de operar a un nivel de consumo de energía mínimo. Desde la perspectiva de la comunicación, se deben diseñar e implementar protocolos de Control de Acceso al Medio (MAC, Media Access Control), para garantizar mayor capacidad de red, alta eficiencia energética y confiabilidad en el uso del sistema [5]. Considerando la creciente importancia de las WBAN y lo nombrado anteriormente, el Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE, Institute of Electrical and Electronics Engineers) ha formado un grupo de estudio especializado. Actualmente el grupo IEEE 802.15.6 está trabajando en el desarrollo de las Redes de Área Corporal (BAN, Body Area Network). El nuevo estándar define los aspectos de gestión del nivel Físico (PHY) y MAC [9].. 5.

(18) ALEJANDRO C AJIAO BRAVO – JOSE ALBERTO HIDALGO PAZ. 1.2. ARQUITECTURA DE UNA RED INALÁMBRICA DE ÁREA DE CORPORAL 1.2.1. Componentes La arquitectura de una WBAN se compone de diferentes dispositivos, que se clasifican según sus características y funcionalidad. A continuación se presentan los tipos de dispositivos de una WBAN [10]: . Nodo sensor: es un dispositivo que se encarga de recibir, procesar y retransmitir las señales provenientes del cuerpo humano.. . Nodo actuador: es un dispositivo que actúa de acuerdo con los datos recibidos por los sensores o según la interacción con el usuario.. . Unidad Central de Cuerpo (BCU, Body Central Unit): es un dispositivo que recoge toda la información adquirida por los sensores/actuadores e informa al usuario a través de una puerta de enlace externa (Gateway), desplegando la información por medio de un dispositivo de visualización. En algunas aplicaciones, se utiliza un Asistente Digital Personal (PDA, Personal Digital Assistant) o un teléfono inteligente.. Generalmente a los nodos sensores y actuadores se les denomina Unidad de Sensor Corporal (BSU, Body Sensor Unit). En la Figura 1.2, se muestra la arquitectura general de una WBAN. Las BSU son nodos sensores habilitados con interfaces de transmisión inalámbrica especificos para aplicaciones médicas. A través de comunicación inalámbrica, los BSU se comunican y transmiten información a la BCU, que a su vez retransmite la información a estaciones de moniteoreo por medio de tecnlogías de radiofrecuencia, tales como Bluetooth, WiFi o por las redes móviles [11]. En general, cualquiera de los dispositivos que hacen parte de una WBAN, se componen a su vez de los módulos mostrados en la Figura 1.3 [7] [8] [12], los cuales se describen a continuación. . Módulo hardware del sensor o actuador: contiene el sensor o actuador y el hardware necesario para recibir los datos sensados y entregarlos al módulo de procesamiento.. . Módulo de procesamiento: se encarga de analizar los datos recibidos a través del módulo hardware del sensor o actuador, o en el caso de la BCU, los datos recibidos por todos los nodos, tanto sensor como actuador, de la WBAN. También se encarga de gestionar el módulo de radiofrecuencia para la transmisión y recepción de la información. Este módulo está compuesto principalmente por un microcontrolador.. . Módulo de potencia: proporciona la energía necesaria para el funcionamiento del nodo sensor, actuador o la BCU. Este módulo es alimentado generalmente por una batería.. 6.

(19) PICO-RED PROTOTIPO PARA INTERCONEXIÓN DE DISPOSITIVOS MÉDICOS. . Módulo de radiofrecuencia: es la unidad encargada de transmitir y recibir información entre las BSU y la BCU. Está compuesto por un transceptor, dependiendo de la tecnología de RF que se esté usando.. Figura 1.2. Arquitectura de una WBAN [11].. Figura 1.3. Módulos que componen la BCU y las BSU. Los nodos se pueden clasificar según su ubicación en el cuerpo. Existen principalmente tres formas; implantados (in-body), portables (on-body) y fuera del cuerpo (out-body). Los nodos implantados corresponden a sensores o actuadores que se localizan debajo del tejido humano por lo que requieren de procedimientos invasivos para su implantación.. 7.

(20) ALEJANDRO C AJIAO BRAVO – JOSE ALBERTO HIDALGO PAZ. El principal requerimiento para este tipo de nodo, es una alta eficiencia en cuanto al consumo de energía. Los nodos portables son nodos que se colocan sobre la piel, por lo que no requieren de procedimientos invasivos y por tanto no tiene exigencia en cuanto al consumo de energía, ya que un cambio de baterías es evidentemente más sencillo que en los nodos implantados. Finalmente, los nodos fuera del cuerpo, son dispositivos que no tienen contacto con el cuerpo humano. Generalmente estos nodos se utilizan para aplicaciones de entretenimiento y reproducción de audio o video [8] [13]. Cabe resaltar que los nodos implantados están enfocados principalmente para aplicaciones médicas y atención sanitaria, mientras que los nodos portables y fuera del cuerpo se consideran tanto para aplicaciones médicas como no médicas [14]. En la Tabla 1.1 se muestra la clasificación de los nodos, según su ubicación en el cuerpo con algunos ejemplos de aplicación. Ubicación. Sensor Cápsula para endoscopia Implantados (in-body) Sensor de glucosa Marcapasos Temperatura corporal Portables (on-body) Presión arterial Ritmo cardíaco Reproductor MP3 Fuera del cuerpo (out-body) MP4, Juegos de Video Tabla 1.1. Clasificación de los nodos según su ubicación en el cuerpo [13]. 1.2.2. Operación Las WBAN operan en el modo de comunicación maestro-esclavo, en donde el nodo maestro controla y gestiona a los nodos sensores o actuadores [15]. Una WBAN se compone de uno a varios nodos sensores (BSU) y un nodo maestro o BCU. Las BSU recopilan la información de las actividades o acciones fisiológicas del cuerpo humano y transmiten esa información a la BCU. La BCU es la encargada de iniciar la comunicación al interior de la red, para ello envía información de control y sincronización a las BSU, para que así, estas puedan adquirir un canal de comunicación e iniciar el proceso de conexión [13]. Finalizado el proceso de conexión, una BSU ya está asociada a la BCU y puede comenzar a transmitir una o más tramas de información. Las BSU pueden tener diferentes comportamientos para comunicarse con la BCU. Una primera opción, es enviar información en forma continua, la desventaja de esta opción es el alto consumo de energía debido a la transmisión continua de información. Una segunda. 8.

(21) PICO-RED PROTOTIPO PARA INTERCONEXIÓN DE DISPOSITIVOS MÉDICOS. opción, es enviar datos medidos periódicamente, reduciendo el consumo de energía. Como última opción, se puede transmitir un archivo que contiene el registro de medidas fisiológicas de un día. Los anteriores comportamientos son definidos para los casos normales, sin embargo, hay casos de emergencias en los que los BSU pueden enviar un mensaje de alerta, cuando alguna señal fisiológica medida tiene un valor anormal [12]. 1.2.3. Clasificación del tráfico de una WBAN El tráfico corresponde a la información que intercambian las BSU con la BCU. El tráfico de una WBAN depende del tipo de aplicación y a su vez de la velocidad de transmisión de datos, sin embargo, se ha clasificado el tráfico de una WBAN de la siguiente manera [8] [12] [13]: . Normal: se genera en condiciones normales sin requisitos de tiempo. Los datos corresponden fundamentalmente a una rutina de monitoreo de las actividades y acciones fisiológicas del cuerpo humano.. . Bajo demanda: se presenta cuando la BCU hace una petición para acceder de forma inmediata a información específica de un nodo. Un ejemplo que ilustra este tipo de tráfico, es cuando un médico o enfermera visita un paciente y requiere obtener datos inmediatos de alguno de los sensores que tiene conectados, en lugar de esperar la información a través del tráfico normal.. . De emergencia: se genera cuando un nodo necesita enviar datos urgentes debido a la anormalidad de una medida fisiológica sensada. Este tipo de tráfico tiene mayor prioridad, por lo que tiene estrictos requerimientos de latencia, fiabilidad y confiabilidad.. 1.2.4. Topología Según el modo de operación (maestro-esclavo) y el estándar de WBAN, la topología general de funcionamiento es en estrella. Sin embargo esta topología se puede configurar de dos formas [8]: . Estrella a un salto: en este caso, las BSU intercambian información directamente con la BCU.. . Estrella extendida a dos saltos: las BSU y la BCU intercambian información a través de un nodo de retransmisión.. En la Figura 1.4 se observan los dos tipos de configuración para la topología en estrella de una WBAN. Para el caso de la topología en estrella extendida a dos saltos, BSU4 es el nodo repetidor, el cual retransmite la información del BSU3 a la BCU2.. 9.

(22) ALEJANDRO C AJIAO BRAVO – JOSE ALBERTO HIDALGO PAZ. Figura 1.4. Topología de una WBAN. 1.3. PROTOCOLOS DE COMUNICACIÓN El estándar IEEE 802.15.6, es la primera norma internacional que regula y trabaja en el avance de las WBAN. El principal objetivo de esta norma es el desarrollo y actualización de un estándar de comunicaciones para dispositivos de baja potencia, miniaturizados, implantados, portables o externos, para el monitoreo de signos vitales del cuerpo humano [16]. El estándar define la capa MAC, la cual soporta varios niveles PHY, tal como se muestra en la Figura 1.5.. Figura 1.5. Protocolos de comunicación de una WBAN [17]. En las siguientes secciones se presentan las principales características de los niveles MAC y PHY para las WBAN.. 10.

(23) PICO-RED PROTOTIPO PARA INTERCONEXIÓN DE DISPOSITIVOS MÉDICOS. 1.3.1. Nivel Físico En primer lugar, es importante resaltar la bandas de frencuencias que estan disponibles para WBAN (Figura 1.6), las cuales son reguladas por las distintas autoridades de comunicaciones en diferentes paises. A continuación se muestran las bandas de frecuencias habilitadas para las WBAN [8] [13] [16]: . Servicio de Comunicaciones Médicas Implantadas (MICS, Medical Implant Communication Service): utilizada para la comunicación bidireccional entre implantes médicos y la BCU para el monitoreo de signos vitales. Estándar definido por la Comisión Federal de Comunicaciones (FCC, Federal Communications Commission) de Estados Unidos y el Instituto Europeo de Normas de Telecomunicaciones (ETSI, European Telecommunications Standars Institute) [18].. . Servicios de Telemetría Médica Inalámbrica (WMTS, Wireless Medical Telemetry Services): se utiliza para el control a distancia de la salud de un paciente, incluyendo dispositivos para monitorear signos vitales y otros parámetros importantes para la salud y los dispositivos que transportan los datos a través de un enlace radio a una ubicación remota. Definida por la FCC [19].. . Médica, Cientifica e Industrial (ISM, Industrial Scientific and Medical): son bandas reservadas internacionalmente para uso no comercial en las áreas industrial, cientifica y médica. Debido a que es una banda de uso libre, requiere que las comunicaciones tengan alta tolerancia a errores y la utilización de mecanismos de protección contra interferencias. Definida por la Unión Internacional de Telecomunicaciones (ITU, International Telecommuncation Union) [20].. . Ultra Banda Ancha (UWB, Ultra Wide Band): se emplea para comunicaciones con bajo consumo de energía, gran ancho de banda y de corto alcance [21].. En la Figura 1.6 se muestran las bandas de frecuencias habilitas para la operación de las WBAN.. Figura 1.6. Bandas de frecuencia habilitadas para las WBAN [14] [16] [22].. 11.

(24) ALEJANDRO C AJIAO BRAVO – JOSE ALBERTO HIDALGO PAZ. En la Tabla 1.2 se muestra un resumen de las bandas de operación para el despliegue de las WBAN, junto con los paises en donde son utilizadas. Banda MICS. Frecuencia 402 – 405 MHz (Japón, Europa, Corea y USA) Japón: 420 – 429 MHz y 440 – 449 MHz WMTS Europa: 433 – 435 y 863 - 870 MHz USA: 608 – 614 MHz, 1395 – 1400 MHz y 1427 – 1429.5 MHz ISM 902 – 928 MHz (USA, Australia, Nueva Zelanda) 2.4 GHz (Mundial) UWB 3.1 hasta 10.6 GHz (Japón, Europa, Corea y USA) Tabla 1.2. Bandas de frecuencias para la operación de WBAN. El nivel físico definido por el estándar IEEE 802.15.6, para la comunicación de una WBAN soporta: UWB, Banda Estrecha (NB, Narrow Band) y Comunicación del Cuerpo Humano (HBC, Human Body Communication). El nivel físico tiene las siguientes funciones: 1. Activación y desactivación del transceptor de radiofrecuencia. 2. Evaluación del Canal Libre (CCA2, Clear Channel Assessment). 3. Transmisión y recepción de los datos. 1.3.2. Control de Acceso al Medio Para cumplir con los criterios de diseño de una WBAN, se hace necesario hacer uso de métodos eficientes de acceso al medio, que permitan coordinar la transmisión de información entre los nodos de la red. A continuación se listan los protocolos MAC más eficientes [7]. 1. Protocolo de Acceso Múltiple por División de Tiempo programado. 2. Protocolo de Sondeo (Polling). 3. Protocolo de acceso aleatorio. El Acceso Múltiple por División de Tiempo (TDMA, Time Division Multiple Access) es una técnica de acceso múltiple programado, donde la transmisión de paquetes es manejada en forma de tramas de tiempo y ranuras. Cada ranura de tiempo puede ser vista como un recurso de transmisión dedicado, usado para transmitir información del paciente. La BCU asigna las ranuras de tiempo a los sensores, para transmitir información, permitiendo así disminuir la sobrecarga de paquetes. Sin embargo TDMA tiene algunas desventajas en la asignación de recursos. El problema radica en soportar diferentes sensores que manejan 2. Es una función lógica que determina el estado actual de uso de un medio inalámbrico. Mediante esta función se determina si el medio está listo y es capaz de recibir información, para que así el transmisor pueda comenzar a enviar [76].. 12.

(25) PICO-RED PROTOTIPO PARA INTERCONEXIÓN DE DISPOSITIVOS MÉDICOS. información no periódica, pues esto implicaría que algunos sensores no usarían eficientemente los recursos de transmisión asignados, pero el sistema puede seguir funcionando normalmente. La escalabilidad también afecta fuertemente el desempeño de la red, al necesitarse modificaciones en la configuración de la BCU cada vez que se añada un sensor en la WBAN. Entre los protocolos de acceso aleatorio, se destaca el Acceso Múltiple con Escucha de Portadora y Evasión de Colisiones (CSMA/CA, Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection). Un sensor basado en el protocolo CSMA/CA accede al canal de transmisión sólo cuando requiere transmitir información. Una BSU comprueba el estado del canal de transmisión sólo cuando tiene datos en su búfer de transmisión. Si el canal está libre, entonces el sensor inicia la transmisión de paquetes. Sin embargo, la principal desventaja de un protocolo de acceso aleatorio es que puede introducir retardos variables dependiendo del tráfico de cada sensor. El protocolo de sondeo está basado en la técnica de transmisión programada utilizando la arquitectura maestro/esclavo para transmitir datos. En una red de sondeo, la BCU programa todas las transmisiones en la red, evitando así cualquier probabilidad de contienda. 1.3.2.1.. Protocolo de Sondeo o Polling. En esta red, la BCU envía mensajes de sondeo a todos los nodos los cuales pueden responder transmitiendo un mensaje o pueden enviar un corto Reconocimiento Negativo (NACK, Negative Acknowledgement) para indicar que no tienen información para transmitir. La BCU opcionalmente puede enviar un Reconocimiento (ACK, Acknowledgement) en el siguiente sondeo para confirmar la correcta recepción de la información anteriormente recibida y así aumentar la confiabilidad de la red. En la Figura 1.7 se observa un posible ejemplo de un ciclo de sondeo y su secuencia de transmisión. La frecuencia de sondeo puede ser variada y optimizada para soportar fuentes de tráfico de diferentes velocidades de entrega de información. Adicionalmente se puede agregar una ranura de sondeo al final del ciclo de sondeo, usada para soportar escalabilidad en el protocolo (Figura 1.7). De esta manera nuevos nodos pueden unirse o dejar la red, enviando un mensaje de unión o de salida respectivamente, a la BCU. Este proceso le permite a la WBAN adaptar un número variable de nodos sensores. El encolado y el retardo de transmisión de paquetes están determinados ampliamente por el volumen de tráfico y el número de nodos activos, de manera directamente proporcional. El consumo de potencia en una red WBAN de sondeo puede ser controlado organizando el sondeo y las secuencias de transmisión de datos. Por todo lo mencionado anteriormente una WBAN basada en sondeo es más flexible que una basada en TDMA o en los protocolos de acceso aleatorio y por tanto el Protocolo de Sondeo (Polling) es el más apto para ser implementado en la Pico-red Prototipo.. 13.

(26) ALEJANDRO C AJIAO BRAVO – JOSE ALBERTO HIDALGO PAZ. Figura 1.7. Secuencia de transmisión MAC basada en sondeo. 1.4.. TECNOLOGÍAS DE RADIOFRECUENCIA. Las tecnologías emergentes y existentes de radiofrecuencia compatibles con las WBAN son: Bluetooth, UWB y ZigBee, además de algunas tecnologías propietarias y abiertas como Insteon, Z-Wave, ANT, RuBee y RFID. Por intereses del trabajo de grado solo se hará uso de la tecnología Bluetooth. 1.4.1. Bluetooth El desarrollo de Bluetooth comenzó en 1998 cuando Ericsson, IBM, Intel, Nokia y Toshiba formaron el Grupo de Interés Especial (SIG, Special Interest Group) para desarrollar y promover una solución global para la comunicación inalámbrica de corto alcance [23]. Bluetooth funciona en la banda ISM de 2.4 GHz y emplea Espectro Ensanchado por Salto de Frecuencia (FHSS, Frequency Hopping Spread Spectrum) como técnica de transmisión para evitar interferencias que se producen al utilizar una banda libre. Los saltos en frecuencia se determinan según la Secuencia Pseudo Aleatoria (PN, Pseudo Random Sequence), la cual es generada a partir de la dirección y del reloj del maestro y es almacenada en tablas, conocidas tanto por el transmisor como por el receptor. En total se disponen de 79 canales con un ancho de banda de 1MHz cada uno [23] [24]. Los dispositivos Bluetooth se clasifican en referencia a su potencia de transmisión. En la Tabla 1.3 se muestran las 3 clases de Bluetooth. Clase. Clase 1 Clase 2 Clase 3. Potencia máxima Potencia máxima permitida permitida (mW) (dBm) 100 20 2.5 4 1 0 Tabla 1.3. Clases de Bluetooth [24]. 14. Rango (metros) ≈100 ≈5 - 10 ≈1.

(27) PICO-RED PROTOTIPO PARA INTERCONEXIÓN DE DISPOSITIVOS MÉDICOS. En WBAN se pueden utilizar dos topologías de red basadas en Bluetooth. A continuación se presentan estas topologías. . Pico-redes Una pico-red es una interconexión de máximo 8 dispositivos Bluetooth. Para regular el tráfico en el canal, uno de los dispositivos funciona como maestro y por tanto los demás dispositivos son esclavos [23]. Para identificar cada esclavo, el maestro de una pico-red asigna una “dirección de miembro activo” a nivel local para cada esclavo que participa en las comunicaciones activas de la pico-red. A partir de esta dirección, el maestro regula a los esclavos y les informa cuando pueden transmitir [23]. En la Figura 1.8 se muestra la estructura de una pico-red.. . Red dispersa La Red dispersa o Scatternet nace con la necesidad de solucionar un problema de eficiencia ya que los dispositivos que comparten un mismo canal sólo pueden utilizar una parte de la capacidad de este. Una red dispersa es un grupo de pico-redes y se forma cuando un dispositivo miembro de una pico-red, decide participar como un esclavo de una segunda pico-red. El dispositivo participante en ambas pico-redes puede transmitir datos entre los miembros de ambas redes [24]. En la Figura 1.9 se muestra un ejemplo de red dispersa.. Figura 1.8. Pico-red.. 15.

(28) ALEJANDRO C AJIAO BRAVO – JOSE ALBERTO HIDALGO PAZ. Figura 1.9. Red dispersa o scatternet. En la actualidad existen 4 versiones de Bluetooth, en donde las más recientes son las versiones 3.0 y 4.0 (Bluetooth de Baja Energía). 1.4.2. Bluetooth de Baja Energía El Bluetooth de Baja Energía (Bluetooth LE, Bluetooth Low Energy), incluido en la versión 4, alcanza velocidades de transmisión de datos de hasta 1 Mbps en su nivel físico. El uso de un menor número de canales para la vinculación de dispositivos, hace que la sincronización se pueda hacer en unos pocos milisegundos en comparación con los segundos que tarda Bluetooth clásico. Esto beneficia a las aplicaciones de WBAN que requieren mínima latencia, por ejemplo, en la generación de alarmas o para la transmisión del tráfico de emergencia [6]. Los dispositivos Bluetooth de Baja Energía se pueden clasificar en dos grupos, según su modo de funcionamiento: modo dual y modo autónomo. Como su nombre lo indica, el modo autónomo está diseñado para comunicarse entre dispositivos que son compatibles con las versión 4 de Bluetooth, mientras que el modo dual permite conectarse a dispositivos Bluetooth que son compatibles con otras versiones [5] [6]. Al igual que Bluetooth clásico, la tecnología Bluetooth de Baja Energía funciona con una pila de protocolos relativamente sencilla y se centra en las redes configuradas en estrella de corto alcance sin complicados algoritmos de enrutamiento. Esta tecnología se adapta en las WBAN configuradas con topología en estrella. La comunicación entre WBAN se puede realizar a través de una segunda tecnología de radiofrecuencia o mediante el uso del modo dual, sin embargo esto implica un mayor consumo de energía.. 16.

(29) PICO-RED PROTOTIPO PARA INTERCONEXIÓN DE DISPOSITIVOS MÉDICOS. 1.5. CRITERIOS DE DISEÑO Y DESAFÍOS DE UNA RED INALÁMBRICA DE ÁREA CORPORAL Los criterios de diseño y desafíos que presentan las WBAN se pueden resumir en los siguientes cuatro puntos: 1.5.1. Seguridad Los requisitos fundamentales de seguridad de todo el sistema son la confidencialidad, la integridad de los datos, la responsabilidad, la disponibilidad y el control de acceso [25], resaltando que la información relacionada a la salud, intercambiada entre sensores de una WBAN y transmitida hacia servidores a través de Internet, es estrictamente privada y confidencial [26], por lo que debería ser encriptada para garantizar la privacidad del paciente. Cumplir todos los requisitos de seguridad no siempre es sencillo, como lo es: realizar la autenticación de un paciente que no está en las capacidades de hacerlo (por ejemplo, situaciones de trauma o pérdida de conciencia) y hacer uso de mecanismos de seguridad redundantes que no afecten considerablemente el consumo de energía o el desempeño del sistema, entre otros. Como punto a favor, las WBAN tienen distancias de transmisión cortas, que aportan a la seguridad, evitando accesos no deseados de agentes que no estén cercanos a la WBAN, sin embargo, los riesgos de seguridad no dejan de existir y más cuando la información sale hacia Internet. Es por esto que se deben diseñar cuidadosamente políticas de seguridad para sistemas de información clínica [27]. 1.5.2. Interoperabilidad Una de las características que debe tener una WBAN es garantizar la transferencia de datos a sistemas centrales, que permitan el intercambio de información entre diferentes entidades o usuarios de salud, sin recurrir a realizar modificaciones o intervenciones directas de la WBAN, que afecte el normal desempeño de la red. En la actualidad existe el interés de realizar una convergencia de las comunicaciones, permitiendo el intercambio de información entre múltiples tecnologías y sistemas de comunicación, para lograr tener la información disponible en cualquier momento que se requiera. Por lo tanto es importante que una WBAN tenga la posibilidad de interconectarse con múltiples WBAN, WPAN, WLAN, etc., sin ninguna complicación. 1.5.3. Complejidad en el sistema de dispositivos Los sensores usados en WBAN deben ser de baja complejidad por lo que el sistema de procesamiento tiene que ser “liviano” (bajas frecuencias de trabajo) ya que un alto procesamiento de este implicaría mayores consumos de energía. Uno de los grandes desafíos en los nodos de las WBAN es utilizar la menor cantidad posible de energía, para. 17.

(30) ALEJANDRO C AJIAO BRAVO – JOSE ALBERTO HIDALGO PAZ. así obtener la mayor durabilidad y tiempo de funcionamiento de los nodos sin necesidad de recargas o cambios de baterías, que muchas veces no son deseables o incluso inaceptables como lo es el caso de sensores implantados, por lo tanto los sensores deben ser pequeños y ligeros de peso, permitiendo también su fácil ubicación en el cuerpo humano, de manera que no causen molestias o introduzcan restricciones al usuario portador de la WBAN. El estándar IEEE 802.15.6 fue especificado inicialmente para redes inalámbricas sobre o dentro del cuerpo humano con bajo consumo de energía [28] como se aprecia en la Figura 1.10. El consumo de energía puede ser dividido en 3 partes: sensado, procesamiento de datos y comunicación (inalámbrica), siendo esta última la que genera mayores gastos de energía. Existe la posibilidad de mejorar el tiempo de vida de la batería del nodo sensor mediante la recolección de energía (energy-harvesting) durante la operación del sistema [10]. Mencionando “Si la energía recolectada es mayor que la energía consumida promedio, estos sistemas podrían funcionar eternamente.”, por lo que establecen que la combinación del bajo consumo de energía y la energía recolectada es la solución óptima para lograr una WBAN autónoma. Se realizó una investigación para estimar la potencia promedio que un usuario WBAN puede recolectar por hora por día por , para siete fuentes de captación de energía ubicadas en el cuerpo humano (Figura 1.11) [29].. Figura 1.10. Perfil de datos vs potencia, IEEE 802.15.6 [28].. 18.

(31) PICO-RED PROTOTIPO PARA INTERCONEXIÓN DE DISPOSITIVOS MÉDICOS. Figura 1.11. Resultado de la correlación de siete fuentes de captación de energía, con la disponibilidad de cada fuente sobre una jornada de trabajo promedio [29]. Sin embargo, se deja claro que la energía recolectada es de pequeñas cantidades (unos pocos mW) y los dispositivos de captación no son muy eficientes, además los organismos de regulación internacional limitan el uso de dispositivos de adquisición de energía cercanos o dentro del cuerpo humano por motivos de salud (por ejemplo, generador termoeléctrico), por lo que se han realizado numerosas investigaciones; como lo es la recarga inalámbrica [30], políticas de transmisión óptima para nodos con energía limitada en baterías [31] o la continua investigación del uso de supercondensadores o nanotubos de carbono, que prometen una gran revolución . Por lo tanto es claro que el consumo de energía en las WBAN es uno de los grandes desafíos. En igual medida, los nodos deben ser fáciles de usar, puesto que no todos los posibles usuarios tienen conocimientos en electrónica y un relativo “difícil” manejo de estos sensores, conllevaría a un entorpecimiento o uso inadecuado de los nodos de la WBAN. Por esta razón, cuando un nodo sea ubicado en el cuerpo y posteriormente puesto en marcha, este debe ser capaz de unirse a la red y configurar las rutas automáticamente sin la necesidad de ninguna intervención externa, o en el caso de que un nodo falle la red debe tener la capacidad de continuar funcionando con los nodos disponibles. Es de gran importancia que la red tenga a su disposición un sistema de consistencia de la información, para posteriormente transmitirla a la entidad o personal médico con las capacidades de interpretarla y tomar las respectivas decisiones, sin embargo, para ayudar de igual forma al ahorro de energía, se promovió la tendencia de utilizar “almacenamiento en el nodo” [29] gracias a los avances de la industria de la microelectrónica en el almacenamiento en memoria no volátil de baja energía, como la Memoria de Acceso Aleatorio Magnetorresistiva (MRAM, Magnetoresistive Random – Access Memory) y la Memoria de Acceso Aleatorio Resistiva (RRAM, Resistive Random – Access Memory), que permiten almacenar información temporal en el propio sensor hasta que se encuentren condiciones favorables en el canal de transmisión, disminuyendo al mismo tiempo los errores.. 19.

(32) ALEJANDRO C AJIAO BRAVO – JOSE ALBERTO HIDALGO PAZ. 1.5.4. Confiabilidad Cuando se trata de aplicaciones médicas, es de vital importancia que el sistema proporcione una gran precisión y fiabilidad de los datos, para garantizar que estos sean recibidos correctamente por el profesional en salud y de esta manera no poner en riesgo la integridad del paciente. La confiabilidad puede ser considerada de extremo a extremo o por cada enlace, por lo que se debe garantizar tanto a nivel de sensado como de transmisión. Esta confiabilidad está directamente relacionada con la probabilidad de pérdida de paquetes y el retardo de transmisión de paquetes [7]; la probabilidad de pérdida de paquetes puede ser reducida usando modulación adaptativa y técnicas de codificación de canal para adaptarse a las condiciones del canal de transmisión. Los mensajes de información deben ser entregados y medidos en un tiempo razonable, ya que un retardo considerable puede ser fatal en el caso de que un evento amenazante para el paciente pase desapercibido o no se entregue a tiempo al especialista en salud. 1.6. APLICACIONES Las aplicaciones de las WBAN se pueden clasificar basadas en el tipo de sensores/actuadores, topologías de red y casos de uso. En la Figura 1.12 se pueden observar varias aplicaciones de estas redes, sin embargo es posible clasificarlas en dos grandes grupos: médicas y de carácter no médico.. Figura 1.12. Aplicaciones de una WBAN (pago de facturas electrónicas, médicas y atención sanitaria, asistente de conducción, seguridad de oficina) [17].. 20.